某乘用車的乘員艙熱舒適性分析與研究

黎炯，廖抒華，陸潤明

(廣西科技大學(xué)汽車與交通學(xué)院，廣西柳州 545000)

0 引言

汽車室內(nèi)的熱環(huán)境主要依靠汽車空調(diào)系統(tǒng)調(diào)節(jié)，因此汽車空調(diào)系統(tǒng)的性能優(yōu)劣直接影響到駕駛員駕駛的安全性和乘員的舒適性。舒適的駕駛環(huán)境可以使得駕駛員保持頭腦清晰，從而可以安全高效地駕駛車輛，減少疲勞和事故的發(fā)生。同時，汽車空調(diào)系統(tǒng)還能夠為汽車提供制冷、取暖、除霜、濕度控制和換氣除臭等功能，把車室內(nèi)的環(huán)境保持在乘員舒適的狀態(tài)[1]。

對乘員艙的熱舒適性分析如果采用傳統(tǒng)的風(fēng)洞研究方式，需要準(zhǔn)備實車或者模型，其費用高、周期長，在試驗中各種狀態(tài)的三維流場的詳細(xì)情況也很難觀察到，使得試驗研究受到很大的限制。而采用CFD模擬計算，可以克服以上傳統(tǒng)方式的各種短板，節(jié)約大量的時間和試驗經(jīng)費，可在開發(fā)前期進(jìn)行模擬預(yù)測和優(yōu)化，從而達(dá)到改善乘員艙熱舒適性的目的[2-3]。

1 研究理論

所有的流動與傳熱過程都服從3個基本方程，即質(zhì)量守恒方程、動量守恒方程、能量守恒方程。其最關(guān)心的是這些守恒定律的數(shù)學(xué)表達(dá)式——偏微分方程，通常稱為控制方程[4-5]。

1.1 連續(xù)性方程(質(zhì)量守恒方程)

利用質(zhì)量守恒定律的表達(dá)式：單位時間內(nèi)微元體中流體質(zhì)量的增加等于同一時間間隔流入該微元體的凈質(zhì)量，可以得到以下連續(xù)性方程：

1.2 動量方程(動量守恒方程)

動量方程反映了流體流動過程中的動量守恒性質(zhì)。根據(jù)牛頓第二定律，流體微元所受到的合外力等于流體微元動量的變化率。動量方程反映的是流體微元所受的合外力與慣性力之間的平衡。將流體微元分別在3個坐標(biāo)方向上應(yīng)用牛頓第二定律，并引入牛頓切應(yīng)力公式和 Stokes表達(dá)式，可得3個速度分量的動量方程：

(1)u動量方程

(2)v動量方程

(3)w動量方程

1.3 能量方程(能量守恒方程)

能量方程反映了流體流動過程中能量守恒的基本性質(zhì)。對流體中的微元體應(yīng)用能量守恒定律，則微元體內(nèi)力學(xué)能的增加率=進(jìn)入微元體的凈熱流量+體積力與表面力對微元體做的功。該定律實際上是熱力學(xué)第一定律，則以溫度T為變量的能量守恒方程：

1.4 湍流控制方程

湍流是自然界非常普遍的流動類型，κ-ε方程模型是應(yīng)用最廣泛的紊流模型。模型中紊流黏度表示為紊流動能(κ)和紊流耗散率(ε)兩個變量，都包含對流和擴散項。兩方程的形式如下：

(1)κ方程為

(2)ε方程為

1.5 車身表明y+值分布

為了建立壁面函數(shù)的表達(dá)式，分別引入速度和距離的無量綱參數(shù)u+和y+，表達(dá)式如下：

為有效地應(yīng)用壁面方程，y+值不能太小，否則邊界層只包括層流子邊界層。同時，y+值也不能太大，否則邊界的流動特性可能與壁面方程所描述的不一致。工程中一般要求30

2 幾何模型建立及網(wǎng)格劃分

文中采用三維軟件UG對某車企7座的轎車進(jìn)行參數(shù)建模，為了保證幾何模型的準(zhǔn)確性，充分體現(xiàn)主要矛盾，忽略次要因素，考慮到計算機硬件條件，須減少模型的運算量，對實車模型和乘客艙內(nèi)的人體模型和座椅及儀表臺進(jìn)行了合理的簡化處理[6-7]。

目前在實踐中用到的主要劃分網(wǎng)格的技術(shù)有結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格技術(shù)和非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格技術(shù)兩大類[8]。該乘客艙內(nèi)流場先在HyperMesh中進(jìn)行2D面網(wǎng)格的劃分，再在ICEM中劃分3D體網(wǎng)格，對汽車模型進(jìn)行非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格的劃分，并對汽車壁面采取了合理的邊界層處理。最后得到非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格數(shù)量約為120萬個，體網(wǎng)格質(zhì)量基本在0.15以上。

3 設(shè)置邊界條件

由于Realizableκ-ε湍流模型綜合了Standardκ-ε和RNGκ-ε兩種模型的優(yōu)點，考慮了氣流的旋轉(zhuǎn)和物體表面的曲率，該模型的應(yīng)用范圍很廣泛，例如：旋轉(zhuǎn)均勻剪切流、包含有射流和混合流的自由流動、管道內(nèi)流動、邊界層流動，以及帶有分離的流動等。它的收斂速度比RNGκ-ε湍流模型快得多，而且計算結(jié)果精度高。故文中選取Realizableκ-ε模型求解[8]。

邊界條件是使得數(shù)值模擬方程有定解的必要條件，故文中設(shè)置主要邊界條件：

空調(diào)送風(fēng)口的速度和溫度為采用多工況對比分析，其中速度方向垂直于儀表臺。其工況設(shè)置如表1所示。

表1 空調(diào)送風(fēng)口的工況設(shè)置

對于入口邊界，采用湍流強度和水力直徑，湍流強度為5%，水力直徑為0.08 mm。 而對于出口邊界，相對大氣壓的壓力為0，其余各變量分量梯度為0。

太陽輻射采用DO模型，這樣就在計算中考慮到由于輻射而引起的加熱情況。地面、車體維護結(jié)構(gòu)邊界均采用第三類壁面邊界條件。求解器采用分離求解器，其算法采用隱式算法。為了提高計算精度，離散格式采用二階迎風(fēng)格式，壓力-速度耦合選用SIMPLE(Semi-Implicit Method for Pressure Linked Equation，壓力耦合方程組的半隱式方法)算法。

4 仿真結(jié)果與分析

通過Fluent的后處理，可對汽車的外流場計算結(jié)果進(jìn)行可視化操作。

研究汽車室內(nèi)的溫度場通常有兩種方法，即：研究室內(nèi)的平均溫度、研究室內(nèi)具體區(qū)域內(nèi)的各點溫度。平均溫度只能大致反映汽車室內(nèi)的整體溫度情況，但是不能對汽車室內(nèi)的某些具體位置進(jìn)行分析，因此文中采用研究室內(nèi)具體區(qū)域的各點溫度和速度的方法來研究乘客艙室內(nèi)溫度場和速度場。即通過研究等值線圖來分析一些具體區(qū)域內(nèi)溫度和速度的分布。文中著重對截面1：y=280 mm，即駕駛員側(cè)的縱面；截面2：x=2 400 mm，即駕駛員和副駕駛員的截面的溫度場和速度場進(jìn)行分析研究。

4.1 不同送風(fēng)速度對汽車內(nèi)流場的影響

當(dāng)送風(fēng)口溫度為290.15 K時，分別設(shè)置送風(fēng)口的初始速度v1=1.5 m/s，v2=2.5 m/s，v3=3.5 m/s時，如圖1(a)、(b)、(c)分別為不同送風(fēng)速度工況下乘客艙在y=280 mm截面的速度場分布圖。由圖中可以看出，前排乘員的頭部位置空氣流速范圍分別為：工況1為0～0.15 m/s，工況2為0.1～0.4 m/s，工況3為0.2～0.53 m/s、工況4為0.4～0.7 m/s。由于車室內(nèi)氣流速度在夏季最好不要超過0.5 m/s，3種工況均基本滿足要求，但是工況1車內(nèi)空氣流速過小，乘員會有無風(fēng)感，容易產(chǎn)生悶熱的感覺，提高送風(fēng)速度，乘員艙內(nèi)部空氣的流速均相應(yīng)提高了，加大了局部對流散熱的能力。但是工況3雖然空氣流速有所增加，由于乘員艙內(nèi)部環(huán)境還是過小，導(dǎo)致車室內(nèi)氣流分布不均勻，有些地方氣流速度過大且有強的吹風(fēng)感，對駕駛員的舒適性造成很大的影響。

當(dāng)送風(fēng)口溫度為290.15 K時，分別設(shè)置送風(fēng)口的初始速度v1=1.5 m/s，v2=2.5 m/s，v3=3.5 m/s時，如圖2(a)、(b)、(c)分別為不同送風(fēng)速度工況下乘客艙在y=280 mm截面的溫度場分布圖。由圖中可以看出，對比工況1和工況2，當(dāng)每個送風(fēng)口的送風(fēng)速度提高1 m/s時，車室內(nèi)的溫度大約下降3 K左右，對比工況2和工況3，車內(nèi)的溫度大約下降了8 K左右。增大送風(fēng)速度，即增大了送風(fēng)量，單位時間進(jìn)入車廂的冷量相應(yīng)增大，也就是說隨著送風(fēng)速度的增大，低溫區(qū)域也會相應(yīng)增加，說明增大送風(fēng)速度能降低各點處的溫度?？梢?，送風(fēng)量對溫度場影響很明顯，是車室內(nèi)溫度分布的一個重要影響因素。如圖3(a)、(b)、(c)分別為不同送風(fēng)速度工況下乘客艙在x=2 400 mm截面的溫度場分布圖，從幾種工況的溫度分布圖可以看出，腳部附近的溫度比頭部附近溫度平均高2°～3°，基本滿足“頭涼腳暖”的要求。

圖1 不同送風(fēng)速度工況下，乘客艙在y=280 mm截面的速度場分布圖

圖2 不同送風(fēng)速度工況下，乘客艙在y=280 mm截面的溫度場分布圖

圖3 不同送風(fēng)速度工況下，乘客艙在x=2 400 mm截面的溫度場分布圖

4.2 不同送風(fēng)溫度對汽車內(nèi)流場的影響

當(dāng)送風(fēng)口速度v2=2.5 m/s時，分別設(shè)置送風(fēng)口的初始溫度T1=287.15 K，T2=290.15 K，T3=293.15 K時，如圖4(a)、(b)、(c)分別為不同送風(fēng)溫度工況下乘客艙在y=280 mm截面的速度場分布圖。由圖中可以看出，當(dāng)送風(fēng)速度相同而送風(fēng)溫度不同時，縱截面y=280 mm處的速度分布和氣流的流體形態(tài)基本相同，速度值的大小也基本一致，說明了空調(diào)系統(tǒng)的送風(fēng)溫度對車室內(nèi)的速度分布影響很小。

當(dāng)送風(fēng)口速度v2=2.5 m/s時，分別設(shè)置送風(fēng)口的初始溫度T1=287.15 K，T2=290.15 K，T3=293.15 K時，如圖5(a)、(b)、(c)分別為不同送風(fēng)溫度工況下乘客艙在y=280 mm截面的溫度場分布圖，空調(diào)的送風(fēng)溫度不同將直接影響到輸入乘客艙內(nèi)的冷氣量，直接關(guān)系到乘客艙內(nèi)的溫度分布及大小，是乘客艙熱舒適性的一個關(guān)鍵因素。單位時間內(nèi)進(jìn)入乘客艙內(nèi)的熱量或者冷量就不同，增大送風(fēng)溫度，單位時間內(nèi)進(jìn)入乘客艙內(nèi)的熱量就增加，降低送風(fēng)溫度，單位時間內(nèi)進(jìn)入乘客艙內(nèi)的冷量就相應(yīng)地增加。由圖5可知，不同的送風(fēng)溫度下，乘客艙的溫度場的分布形態(tài)沒有發(fā)生多大的變化，且體感溫度都在舒適的范圍內(nèi)。如圖6(a)、(b)、(c)分別為不同送風(fēng)溫度工況下乘客艙在x=2 400 mm截面的溫度場分布圖，顯然乘員的頭部位置溫度都比腳部位置的溫度要低，也滿足乘客艙的“頭冷腳暖”基本要求。

圖4 不同送風(fēng)溫度工況下，乘客艙在y=280 mm截面的速度場分布圖

圖5 不同送風(fēng)溫度工況下，乘客艙在y=280 mm截面的溫度場分布圖

圖6 不同送風(fēng)溫度工況下，乘客艙在x=2 400 mm截面的溫度場分布圖

5 結(jié)論

文中利用Fluent軟件對汽車乘客艙內(nèi)流場的溫度場和速度場進(jìn)行數(shù)值模擬，可以得出汽車乘客艙內(nèi)的溫度云圖和速度云圖。從幾個工況進(jìn)行對比可知，在相同的情況下，適當(dāng)增加乘客艙內(nèi)的送風(fēng)速度，可以增加冷風(fēng)送風(fēng)量，就可以極大地降低乘員的體感溫度，提高熱舒適性。根據(jù)模擬結(jié)果和汽車乘客艙內(nèi)流場的實際情況可以發(fā)現(xiàn)，利用CFD方法對指導(dǎo)汽車乘員艙的熱舒適性分析有著至關(guān)重要的作用。